[论文解读] Summary Report of Physics Beyond Colliders at CERN

R. Alemany, Clare Burrage+62 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用 27

一句话总结

本文全面研究了欧洲核子研究中心（CERN）高能对撞机之外的物理学机遇，提出了一系列基于加速器与非加速器的实验，以探测标准模型之外的新物理。文中概述了诸如电偶极矩环（EDM ring）、伽马工厂（Gamma Factory）以及在LHC中开展的固定靶实验等项目，展示了其在探测暗物质、轴子样粒子及新对称性方面的潜力，灵敏度可达到普朗克尺度。

ABSTRACT

Physics Beyond Colliders is an exploratory study aimed at exploiting the full scientific potential of CERN's accelerator complex and its scientific infrastructure in the next two decades through projects complementary to the LHC, HL-LHC and other possible future colliders. These projects should target fundamental physics questions that are similar in spirit to those addressed by high-energy colliders, but that require different types of beams and experiments. A kick-off workshop held in September 2016 identified a number of areas of interest and working groups have been set-up to study and develop these directions. All projects currently under consideration are presented including physics motivation, a brief outline of the experimental set-up and the status of the corresponding beam and detector technological studies. The proposals are also put in context of the worldwide landscape and their implementation issues are discussed.

研究动机与目标

• 识别并发展CERN在大型强子对撞机（LHC）及未来对撞机之外的互补性物理计划，以应对粒子物理学中的基本问题。
• 通过非对撞机与低能束流实验探索新物理，包括轴子样粒子、暗光子及电偶极矩的搜索。
• 评估所提议项目在CERN现有基础设施中的可行性与选址，特别是实验大厅EHN2、ECN3及LHC区域。
• 评估这些项目在全球范围内的背景，对比CERN的能力与国际设施，识别战略机遇。
• 提供实施路线图，包括技术成熟度、束流线兼容性及长期实验规划。

提出的方法

• 提议对现有PS/SPS束流线（如EHN1、EHN2、ECN3）进行升级，以利用高强度μ子与电子束开展新实验。
• 引入新的束流线，如束流打靶设施（Beam Dump Facility）、eSPS（电子束设施）及AWAKE++，用于高精度研究稀有过程与隐性 sector 粒子。
• 设想在LHC中开展LHC固定靶实验与LHC-LLP实验，利用现有的质子与离子束实现新物理探索。
• 提议建设新设施，如用于通过电子与μ子电偶极矩探测CP破坏的EDM环，以及用于产生高能光子束的伽马工厂。
• 考虑非加速器实验，如IAXO、JURA与nuSTORM，这些实验依赖宇宙射线或储存束流开展暗物质与中微子物理研究。
• 利用束流线模拟、探测器研发与选址分析，评估CERN各实验大厅中技术与运行的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CERN，哪些最具前景的非对撞机与低能束流实验可探测标准模型之外的新物理？
• RQ2 如何改造或升级CERN现有的加速器基础设施，以在不干扰LHC运行的前提下容纳新物理实验？
• RQ3 在共享实验大厅（如EHN2与ECN3）中，同时开展MUonE、NA64++与COMPASS++等多实验时，面临的技术与选址限制是什么？
• RQ4 通过所提议的束流与探测器配置，可实现对新物理（如轴子样粒子或暗光子）的何种灵敏度阈值？
• RQ5 在物理覆盖范围与技术成熟度方面，所提议项目与国际设施相比如何？

主要发现

• EDM环实验可通过电子与μ子电偶极矩的振荡探测新物理，尤其在超轻轴子样粒子构成暗物质时，灵敏度可达普朗克尺度。
• eSPS与AWAKE++项目在中长期具有强大的暗光子搜索潜力，尤其在与DESY XFEL升级协同时更为显著。
• LHC固定靶与LHC-LLP计划可与对撞运行共存，LHCb与ALICE因不同的接受度与数据率，可分别探测不同的物理信号。
• 在束流打靶模式下运行的NA62++实验可为SHiP探测器设计提供关键洞见，尤其在稀有K介子衰变研究方面。
• BDF（束流打靶设施）与SHiP探测器设计已趋于成熟，若早期实施NA62++，可为长期稀有衰变研究设施的建设铺平道路。
• 在全面建设前，必须先建造质子电偶极矩储存实验的原型环，而COSY设施被确认为技术验证的可行选址。